炊用燃气大锅灶余热能源分析及综合利用评价方法的探讨

程文强 沈敬平 顾朝光

1.安徽省产品质量监督检验研究院

2.合肥顺昌余热利用科技有限公司

0 前言

炊用燃气大锅灶是酒店、饭店、餐厅等餐饮场所及各大机关单位、学校、工地食堂等的大型厨房常用的燃气烹饪设备之一，也是主要的燃气消耗设备，是国家强制执行的燃气器具能效等级监管产品。国家标准GB30531-2014《商用燃气灶具能效限定值及能效等级》明确规定炊用燃气大锅灶热效率不得小于45%[2]。目前，此类产品能效提升空间很大。过去大锅灶大多数采用传统型式结构、安装传统燃烧器,热效率较低，大量烟气余热通过排烟系统直接排出，造成后堂的温度上升，操作环境恶化，污染空气。随着新技术进步以及强制性标准的实施，新型式结构的大锅灶不断推出，同时更加注重烟气余热的回收利用。本文通过分析大锅灶余热能源，提出综合利用热效率的评价方法，旨在抛砖引玉，探求科学合理的试验与评价方法，鼓励更多的技术创新与应用，为社会提供更优质的产品。

1 大锅灶余热能源

餐饮场所及各大机关单位、学校、工地食堂的商用燃气灶具主要是烹饪菜肴，但是整个后堂系统中有很多清洗辅助性的工作，需求大量的热水，通过能源梯级利用原理，利用燃气器具使用过程产生的烟气中余热回收获得热水,甚至热蒸汽，作为整个后堂下级热水或蒸汽供应，就地转化，就地供应，减少中间环节的损耗，用户端的能源利用率得以大大提高，系统的能源利用效率有效提升，可以实现真正意义上的节能。

1.1 大锅灶热量分布分析

大锅灶在使用过程中，输入端的能源主要是两个方面：燃气燃烧所产生的显热，目前绝大多数大锅灶热负荷设计为20～50 kW；输入电能供风机驱动以及电器件工作，设计输入电功率一般为0.08 ～0.5 kW，电能所占总输入能源比例不到1%。输出端的能源则包括用于加热烹饪菜肴的直接利用的有效能量、烟气带走余热以及燃气不完全燃烧部分的损失能量和设备向外散热损耗的能量。直接有效利用的能源是被用于加热锅烹饪菜肴的热量，通常以在锅内加入一定量的水吸收的热量与消耗的燃气所对应的能量之比，以此评价灶具的热效率。国家标准GB 30531-2014《商用燃气灶具能效限定值及能效等级》明确规定大锅灶热效率（三级）不得小于45%，二级能效不得小于55%，一级能效不得小于65%[2]。通过研究发现，在实际产品使用中，燃气不完全燃烧部分的损失能量和散热损耗的热量相对较小，不足5%。普通型大锅灶排烟温度为400～600 ℃，烟气是主要的热损形式，因此，提高大锅灶综合能源的利用最主要的方向就是回收利用烟气余热。

1.2 大锅灶烟气余热

相对于普通型大锅灶而言，烟气余热占燃气燃烧能源的35%以上，再利用潜力很大。据了解，近年来有很多商用燃气灶具生产企业从事灶具烟气余热再利用的研究和生产，其中合肥顺昌余热利用科技有限公司做了大量研究，生产的“余热宝”型系列产品具有代表性。实践应用证明，大型商业厨房采用余热回收型燃气器具节能效果明显，厨房环境条件改善显著，有鉴于此，应积极引导并加以推广。

大锅灶烟气余热回收利用目前主要做两个方面的工作：其一对传统普通灶具的改造升级，增加专用的烟气余热回收装置；其二利用新技术结合烟气余热回收利用装置，生产具备烟气余热回收功能的灶具。对于前者，应遵从：

1）不影响原有燃气大锅灶的使用效果，即烟气余热回收只是炉灶排放烟气热能的有效利用，不对锅灶的使用性能产生影响，包括不会降低锅的热量吸收、不会导致炊事时间的延长、不增加原有燃气的消耗、不影响炊事人员的安全操作。

2）不对炉灶现有结构进行大的改动，不增加炉灶的外形尺寸，也不需要加大鼓风机功率等。

3）余热利用形式多样化，如制备热水、开水和蒸汽，满足不同场合需要。

典型做法是在燃气大锅灶后靠排烟烟道上，上下口采用插入方式，内外水夹套，水自夹套下部进入，顶部出水，在夹套内侧沿烟气垂直流动方向，水平布置若干根翅片换热管，高温烟气从管外翅片间穿过并传热到翅片，冷水自管内流动并与管壁进行热交换，将热量由烟气转移到水中，然后供用户使用。最终排出的烟气温度为60～150 ℃（如图1 所示）。

图1 燃气大锅灶烟气余热回收结构示意图

若饭店食堂安装有多台炉灶，可以采用分布式炉灶烟气余热回收供应系统（如图2），即将分散于食堂炊事间的炉灶排烟烟道上安装有烟气热能回收装置，冷水管道接入每个换热装置下端进水口，进水口上同时安装有电磁阀，在换热器热水出口安装温度传感器，当出水口温度达到设定温度时，电磁阀自动打开上水，将热水从热能回收装置内顶出，每个换热装置热水出口汇合到一根总管后送往保温水箱储存，一旦出水温度低于设定温度时，电磁阀关闭，储热水箱水再通过水箱与用水点的高差或水泵送往各个热水使用点。

图2 炉灶烟气余热回收热水供应系统

商用燃气炉灶烟气余热回收，造价低、节能效果好、见效快，不仅提高了能源利用效率、解决了炊事或其它场合热水需求，而且由于排烟温度的降低改善了炊事场所工作环境、消除了火灾隐患、降低了食堂排烟系统负担，是一项具有社会及经济双重效益的技术。

2 大锅灶能源综合利用评价方法

灶具能源综合利用效果应采用系统的、科学的方法进行评价，从而得到推广应用，更好地促进技术进步。根据GB/T2587-2009《用能设备能量平衡通则》规定，在输出能量中，输出的电能、输出的机械能、能量转换产生的其它形式的能量和化学反应吸热属于有效热能。在输出能量中，体系排除的废物带出的能量、体系对环境的散热量、用能设备的蓄热、能量转换中其它形式的能量损失和其它热损失属于损失能量[1]。提高用能设备的综合效率，主要途径就是提高有效利用能量，减少无用的损失能量，通过技术手段回收余热并加以利用是实现用能设备高效应用的最佳方式之一。按照此原则，评价商用燃气灶具能量利用率，应综合考察产品边界范围内有效利用的能量。具备余热回收利用的单台大锅灶可以形成一个独立评价系统，多台分布式余热回收型大锅灶也可以组合形成一个综合系统进行评价。

大锅灶输入能量包含输入燃气燃烧产生的能量、用电设备所需的输入电能和参与燃烧的空气中包含的能量，而后两者所占比例极小，通常可忽略不计，实际计算时以消耗燃气完全燃烧的能量作为总输入能量。

带有余热回收利用功能的大锅灶，其主要使用性能——烹饪作用依然要求凸显，满足使用要求，在设计制造中需要充分考虑燃气与空气的匹配、燃烧器结构、炉膛结构、锅体尺寸和结构等，确保燃气充分燃烧、锅体更多吸收热量、损失热量更少。增加烟气余热回收装置，一方面是更加充分利用能源，减少损失，提供能源综合利用效率，另一方面可以优化环境，减少热污染。因此，高温烟气再利用尤显重要，具有一定的经济效应和现实意义。

2.1 大锅灶热效率

目前，商用燃气灶具中炊用燃气大锅灶应符合现行有效标准CJ/T 392-2012《炊用燃气大锅灶》或GB 35848-2018《商用燃气燃烧器具》，其中明确规定了热效率指标及试验检测方法，产品的热效率不低于45%，节能等级评价热效率不低于55%。采用的是直接测定方法[3][5]，这里不再详述。

2.2 余热利用效率

在灶具使用过程中，烟气余热回收利用是一个动态变化的模式，输出热水温度可调，输出形式可以是热水也可以是热蒸汽。燃烧后产生的高温烟气通过换热器与冷水进行热交换，转化为较高温度的热水甚至蒸汽输出至下一级设备。余热利用是热量输出累积的结果。如何更加有效、可靠评价烟气余热利用的效果呢？通过理论分析和多次实践验证，余热利用由于输出量水温度、水流量可调可控，试验检测时应以稳定的输出热水作为考核对象，试验结果更加稳定准确，具有较好的可重复性。同时，为了保持与现行国家标准的一致性，借鉴现有燃气器具热效率试验方法，输入量仍然以燃气低位热值计算总输入的热量，而输出量则以专用的余热转换装置输出的热水量所包含的累积热量，并确保不改变原有系统热量转化的路径参数。

商用燃气器具安装余热利用装置后，按照规定的试验系统进行连接，余热利用热量转化储存在水箱内水量的温升热量。

使用0-2燃气点燃燃烧器，供水压力为0.1 MPa，燃烧达到稳定工作状态后，开始试验。输出热水水温t2 的测点采用多点布置，适当搅拌均匀，以平均温度为计算值。进水温度t1控制在20 ℃±5 ℃，输出热水水温t2 控制在60 ℃±2 ℃[4]。输出热水量按试验要求进行调节。当工作达到稳定运行时，记录水初温和终温，并计量在此期间消耗的燃气流量，最后收集测量参与试验的水量。

余热利用效率按如下公式计算：

式中：

η余—大锅灶余回收装置的热效率，单位为百分数（%）；

M—参与试验的水量，单位为千克（kg）；

t2 —实验结束时输出水温度，单位为摄氏度（℃）；

t1 —试验开始时进水温度，单位为摄氏度（℃）；

c —水的比热，单位为兆焦耳每千克摄氏度[4.2*10-3MJ/（kg.℃）]

V—实测燃气流量，单位为立方米（m3）；

Q1—15 ℃,101.3 kPa 状态下实测试验气低热值，单位为兆焦耳每立方米（MJ/m3）

tg—通过燃气流量计的燃气温度，单位为摄氏度（℃）；

Pamb—试验时的大气压力，单位为千帕（kPa）；

Pg—灶前燃气压力，单位为千帕（kPa）；

Pv—温度为tg℃时的饱和水蒸汽压力，单位为千帕（kPa）。

2.3 综合热效率

根据GB/T 2587-2009《用能设备能量平衡通则》规定，在输出能量中，输出的电能、输出的机械能、能量转换产生的其它形式的能量和化学反应吸热属于有效热能[1]。按照此原则，由于采用相同的燃气燃烧作为同一输入能源量，具有余热回收装置的炊用燃气大锅灶，其综合热效率可以用主灶有效热效率与余热利用效率之和进行评价，可有效考察产品边界范围内能量的利用效果。

式中：

η综合—大锅灶综合热效率，单位为百分数（%）；

η—大锅灶主灶热效率，单位为百分数（%）。

3 结论

热效率是一项反映设备能量利用的技术水平和经济性的综合指标，用于衡量设备的能量有效利用程度，应该从全面的角度、综合利用的角度加以衡量和评价。新型炊用燃气大锅灶中增加烟气余热回收装置能使高温烟气得到合理利用，从而提高灶具整体能源利用的经济性，最后排烟温度下降明显，减少热污染。目前，国家产品标准仅对产品热效率作出明确规定，而涉及产品余热利用未作明确要求。系统综合热效率的研究应高度重视，制定科学规范的评价方法对新技术新产品的推广意义重大，不仅能够做到节能减排，还会取得显著的社会效益和经济效益。